隔震建筑的抗震性能及應(yīng)用前景分析

毛俊卿 劉 鴻

青島愛博瑞隔振技術(shù)有限公司

隔震建筑的抗震性能及應(yīng)用前景分析

毛俊卿 劉 鴻

青島愛博瑞隔振技術(shù)有限公司

本文對隔震理論發(fā)展進(jìn)行了闡述，對隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，得出了隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特點(diǎn)，并闡述了其局限性和未來應(yīng)用前景。

抗震；隔震；橡膠支座；有限元

1 建筑抗震設(shè)計(jì)方法發(fā)展簡況

地震給人類的生產(chǎn)生活帶來巨大的災(zāi)難，如何減輕地震災(zāi)害是世界各國長期以來的重要課題。20世紀(jì)之前的建筑幾乎沒有進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)，經(jīng)歷多次大地震之后，人們才開始意識到建筑抗震的重要性，抗震設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐才開始得以發(fā)展。

早期的抗震思路著重于抵抗慣性力，使建筑物不致因強(qiáng)度不足而損壞，這種方法設(shè)計(jì)的建筑物，在地震中大部分出現(xiàn)不同程度的損壞、倒塌。人們重新意識到，抗震設(shè)計(jì)不是單純的抵抗地震力就可以解決問題了。抗震理論的第二階段著重于減小建筑物的地震反應(yīng)并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)屈服后的承載及變形能力，即提高建筑的韌性，如我國抗震規(guī)范中提供的三水準(zhǔn)、兩階段的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)歷次地震檢驗(yàn)，仍有大量的房屋在地震中損毀嚴(yán)重、倒塌，造成巨大損失。

08年汶川大地震的發(fā)生造成了生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，使國內(nèi)學(xué)者和設(shè)計(jì)界開始重新審視既有抗震設(shè)計(jì)方法的缺陷，探索并實(shí)踐新的抗震設(shè)計(jì)方法。抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)入第三階段---隔震與消能減震設(shè)計(jì)。建筑隔震概念最早于1891由日本學(xué)者河合浩藏提出，其后陸續(xù)有學(xué)者提出其他的隔震模型。早期隔震概念雖然清晰，但是限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，并未得到很好的發(fā)展和實(shí)踐。隨著地震工程理論的逐步發(fā)展和大量實(shí)際地震數(shù)據(jù)的積累，人們開始著手研究并實(shí)踐隔震設(shè)計(jì)理論。

目前，較為成熟的建筑隔震技術(shù)包括：疊層橡膠支座隔震、摩擦擺隔震、混凝土短柱支座隔震等，其中疊層橡膠支座隔震技術(shù)應(yīng)用最為普遍。1974年世界首棟隔震建筑在新西蘭建成;1983年日本第一座疊層橡膠支座隔震建筑---東京八千代臺住宅建成，我國1993年在汕頭建成首幢橡膠墊隔震建筑。

2 隔震建筑與非隔震建筑的地震反應(yīng)特點(diǎn)

為了探究隔震建筑在地震作用下的反應(yīng)特點(diǎn)，使用SAP2000計(jì)算程序建立了兩個(gè)有限元結(jié)構(gòu)模型（模型A為隔震方案，模型B為普通方案），采用相同的分析方法進(jìn)行計(jì)算并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 結(jié)構(gòu)模型概況

模型A為隔震方案，模型B為普通方案，兩個(gè)模型的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件尺寸、配筋情況均相同，共兩層，層高均為3m，X向3跨，Y向2跨，柱跨均為6mX6m，框架柱尺寸為450mmX450mm，縱筋8根18mm，箍筋8@100/200，，梁尺寸為300mmX600mm，上下縱筋配筋分別為4根18 mm和3根18 mm，箍筋8@100/200，均為HRB400。采用時(shí)程分析方法進(jìn)行分析，地震波選用CORRALIT波，X向修正后加速度峰值為247gal（略大于抗震規(guī)范中8度設(shè)防地表加速度）。(如圖所示)

模型A隔震支座采用Rubber Isolator連接單元進(jìn)行模擬，水平兩個(gè)方向剛度均為1000KN/m，采用直接積分法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后，選擇頂部節(jié)點(diǎn)生成加速度時(shí)程曲線和隔震支座節(jié)點(diǎn)生成位移時(shí)程曲線，并查看基底剪力。結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)如下：結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度反應(yīng)為37.1gal，與地面加速度峰值比值為0.15，支座水平位移最大值為10.2cm，基底X向剪力最大值為138KN。

模型B為非隔震設(shè)計(jì)。為便于對比分析，同模型A一樣采用非線性時(shí)程分析法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后，選擇頂部節(jié)點(diǎn)生成加速度時(shí)程曲線和隔震支座節(jié)點(diǎn)生成位移時(shí)程曲線，并查看基底剪力。結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)如下：結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度反應(yīng)為257.9gal，與地面加速度峰值比值為1.044。查看框架變形圖：顯示在0.85s時(shí)，基底X向剪力最大值為577KN，此時(shí)31號梁中間支座已經(jīng)出現(xiàn)塑性鉸，到0.85s時(shí)，另一端也出現(xiàn)塑性鉸。兩個(gè)模型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)數(shù)據(jù)詳下表：

表A地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)峰值

由表A可知，在地震作用下，隔震結(jié)構(gòu)的加速度及絕對慣性力較非隔震結(jié)構(gòu)大幅降低，非隔震結(jié)構(gòu)的基底剪力為隔震結(jié)構(gòu)的4.232倍，這也可以解釋為何隔震結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下沒有出現(xiàn)任何損傷。既有案例表明，某些烈度較小的場地內(nèi)，隔震建筑物內(nèi)的居民甚至感受不到地震發(fā)生。值得注意的是，隔震結(jié)構(gòu)中其橡膠支座的水平位移非常大（本例達(dá)到10.2cm），對支座水平剪切變形性能要求非常高。

3 隔震建筑的局限性及應(yīng)用前景

盡管隔震建筑在抗震性能方面有較大優(yōu)勢，但在國內(nèi)并未得到很好的推廣應(yīng)用，其主要問題在于以下兩方面：一是需要專門設(shè)置一層隔震層，既增加了造價(jià)，又影響建筑方案效果。二是隔震支座在高層建筑及低烈度區(qū)中其應(yīng)用效果不明顯，而目前住宅項(xiàng)目又以高層板式住宅居多。因此，目前隔震建筑多應(yīng)用于高烈度區(qū)的學(xué)校、醫(yī)院等公建，在大規(guī)模的住宅項(xiàng)目中難以推廣應(yīng)用。

目前我國建筑業(yè)正在大力推行產(chǎn)業(yè)化模式，鑒于裝配式結(jié)構(gòu)（尤其是混凝土結(jié)構(gòu)）抗震性能一般來說較差，且目前國內(nèi)的建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平較發(fā)達(dá)國家仍有一定差距，筆者認(rèn)為可以通過設(shè)置隔震支座來改善這類結(jié)構(gòu)的抗震性能，這對于減輕未來可能發(fā)生地震災(zāi)害是有益的。